先を見通す眼を鍛錬し、スピントロニクス含むナノテク噞性化に期待
田R先端財団ではアントレプレナーシップに富む工学瑤料]にR`し、イノベーター`伝として出版する企画を通して、(j┫)vの業績を広く瑤蕕靴瓩覽業を行っている(参考@料1,2)。この度、筆vは、パソコンなどのハードディスクの読Dヘッドとして使われているトンネル磁気B^効果(以下TMRとS記)の先~的研|vとして、東j学原子分子科学高等研|機構教bの宮照x先擇龍叛咾鯆h、執筆する役を担った。Jに発刊されている(参考@料3)ので、ここではその余Bをまとめたい。
ZQ、スピントロニクスという@称でTMRのようにスピンを使ったデバイスの研|が進tしている。峙の磁気ディスク読みDりヘッドだけでなく、LSIの分野でも早稲田j学グローバルCEO講演会でアIdスタンフォードj学教b(参考@料4)が「(j┤ng)来はスピントロニクス?」と言及しているし、SEMATECH Symposium Japan 2010ではD. Armbrust(参考@料5)がbeyond CMOS時代の~tとして、STT(Spin Torque Transfer)RAMをあげている。またIMEC Executive SeminarではD. Verkest(参考@料6)がF(xi┐n)EOL(Front End Of Line LSIのウェーハi工)の(j┤ng)来\術としてVFET(Vertical FET、SIT)、TFET(Tunnel FET)と共にスピントロニクスを掲げてTMR素子にR`している。
TMR素子は、図1の模式図のように薄い絶縁膜を介して2の磁性材料を接合させた構]をeち、接合を流れるトンネル電流の電気B^の変化を使うデバイスである。tち両笋亮Ю材料の磁化の向きが揃っているときと、反憾きになっているときとでは電気B^値が異なり、ivのB^値に比較して後vのB^値が高くなる。したがって模式的に説するとivの場合(図1A)は接合を流れる電流のB^Rpが小さいのでランプは点iするが、後vの場合(図1B)は電気B^Raがjきくなり、ランプは点iしない。このとき〔(Ra−Rp)/Rp〕・100%の値を磁気B^比という(参考@料7)。この比が高いほど検出感度が高いことになる。
宮先擇魯肇鵐優觴УB^比が数%であった時代に、k挙に18%という高い磁気B^比(参考@料8)をして、世cを驚かせ、次いで50%という値を記{し(参考@料9)、TMR素子実化へのOをいた。これが今日の磁気ハードディスクの読みDりヘッドの進歩のきっかけとなる。また電気B^が変化するこの効果は不ァ発性メモリーにも使えるので、峙のようにLSI分野でも(j┤ng)来\術の~tとみなされている。
図1 トンネル磁気B^効果を説する模式的なv路図
筆vはこの仕を担当し、久しぶりにトンネル効果についてリフレッシュすることができた。しかしまず頭をよぎったのは、「スピン」や「磁気B^効果」、そして「トンネル効果」をk般にわかりやすく説するにはどうしたらよいかということであった。宮先擇忙任Δ函◆屐悒好團鵝戮魯侫ギュアスケートなどでRみがあるためか、読vもなんとなく、すっとわかってくれるし、『磁気B^』も電磁気学を復{すれば判ってもらえるが、『トンネル効果』の説はMしい」とのことであった(参考@料10)。
「トンネル効果」に関してはインターネットなどで調べると、~単なアナロジーとしてはいろいろな説に出会う。しかしどうしても古Z学の覦茲鮟个襪海箸できず、厳密性にLける。トンネル効果がk般に瑤蕕譴襪茲Δ砲覆辰燭里魯┘汽ダイオードの発(参考@料11)による。g々椶鵑世、mいエサキダイオードなどで「トンネル効果」という語はJにポピュラーになっているので、薄い接合の場合はそういうことがきるのだと読vに思っていただくこととして、J著(参考@料3)では深入りしないことにした。
筆vも卒業b文やT士b文で恩師、゚圭Yk教bより「エサキダイオードのトンネル効果」というテーマを与えられ、]ヘリウムa度で電流―電圧性をR定して、フォノンの関与する電流(フォノンアシステッドトンネル電流)を莟Rした時代があった。5×1019/cm3のGaをドープしたp型Ge屬法Sbドットを乗せ、X冷してn型合金層を作るとエサキダイオードが出来る。当時、゚係|室ではて}作りでサンプルを作っていた。Z労したのは、顕微の下でその微小ドットにリード線をDりける作業であった。サンプルができなければR定もできず、研|室の報告会では極めて居心地がKいことになる。古稀を越えた今でも、もうすぐ半世紀も経つというのに「サンプルができない」と夢にうなされることがある。
本Mの貉櫃箸歪樟楷愀犬ないので、参考図に掲げたが、そのダイオードの電流‐電圧(I-V)性の微分(dI/dV)をとると、TA(Transverse Acoustic)、LA(Longitudinal Acoustic)、TO(Transverse Optical)、LO(Longitudinal Optical) のQフォノンの関与する電流成分が莟Rできる(参考@料12)。I-V性の変化分を検出する感度を屬欧襪燭d2I/dV2をとる場合もあり、性電子トンネル分光法、あるいはトンネルスペクトロスコピーとも}ばれる。Geの場合は間接.肇鵐優襪任△襪、例えばGaAsで作ったダイオードでは直接.肇鵐優襪箸覆蝓▲璽蹈丱ぅ▲Zで図2Aのような異常な性が現れる。これはゼロバイアスアノーマリーズ(zero bias anomalies)と}ばれている(参考@料13)。
TMRの研|にも、このトンネルスペクトロスコピーとゼロバイアスアノーマリーズが登場する。図2Bはトンネル磁気B^素子の場合の例(参考@料14)である。
図2 ゼロバイアスアノーマリーズの例
A: GaAsバックワードダイオードのdI/dV-V性(参考@料13)、B: CoFeB/Al-O/CoFeBトンネル磁気B^素子のd2I/dV2-V性(参考@料14) いずれも]Hea度でのR定
宮先擇蓮崕jきな研|成果は何もない所に、パッと擇泙譴襪發里任呂覆、関連した、いくつかの研|の中から擇泙譴襪里k般的である」と繰り返し述べている(参考@料15,16)。また朝日賞p賞式で「テーマはWからTって来たり、地から湧いてくるものではない。Hくの先人がいたからこそ、このテーマにたどりくことができた。しかも先人たちが研|を中でVめてくれておりました」と述べている(参考@料17)。
宮先擇龍叛咾鮗{いかけていて、時代はかなり`れているとはいえ、筆vO身せっかくこのような研|テーマを与えられていながら、なぜこの分野に思いを馳せることができなかったのかと、゚契擇砲禄j変申しlない気eちでkJになった。エサキダイオードとTMRとでは分野が異なっているとしても、そこは同じトンネル現(j┫)なので、「先人達が研|を中でVめていた」と言われるのは、グサリと胸に突き刺さる辛いものがある。
さて日本の半導噞が世ck、二を争っていた時代は、攵厙理、工場管理\術もトップレベルを走っており、日本は管理\術が進んでいるから攵もうまく行くのだと言われていた。ところが半導デバイス噞がf国、湾、中国に座を奪われるに伴い、最Zの学会誌、例えばIEEE Trans. Semiconductor Manufacturingに現れる攵厙理\術のb文は、圧倒的に盜颪篥貽逎▲献△らの投Mb文がHくなって、日本発のb文は影を遒瓩討靴泙辰拭R1)。噞と共に攵厙理\術分野の学問もk緒に‥召靴討靴泙辰心兇し、予期されたこととはいえ、これが攵‥召箸いΔ海箸と、あらためて愕とする。
TMRに代表されるスピントロニクスの分野は、まだ日本がリードしているので、ぜひ権W(w┌ng)確保に努める要がある。図3はJに述べた蠢瑤陸LUS Greenソフト(参考@料18,19,20)をいてuたレーダーチャートである。ここでは日本庁のデータベースから(独)工業所~権情報・研T館の電子図書館IPDLで2009Q3月17日に「宮照x」とインプットし、uられた12Pのリストから発の@称の異なる細書7Pをピックアップして、その単語を入し、関連の貌のS瞰を試みた。詳細はJに記述(参考@料3)した通りであるが、kj学の研|室で、周辺までてを海垢襪海箸鷲垈Δ覆里如△爾匸噞ck丸となって、この日本で開発された\術の権W(w┌ng)確保に努めていただきたいと願う。
図3 宮7Pとそれと類瑤群をす、χLUS Greenによるレーダーチャート
スピントロニクス\術を攵ヾ匹垢詭ね茲Bをするのは時期尚早だが、このスピントロニクスなどへのOをくナノテクノロジの分野でも、IEEE Trans.誌に見るb文掲載数では、f国、湾、など東南アジアからのPびが最Z著しい(R2)。宮先擇TMRの研|をMした理y(t┓ng)は「先を見通せたから」だと答えてくれた(参考@料3)。是、先を見極める眼の鍛錬と、きっかけを見逃さず挑戦する気を充実させ、スピントロニクスを含めナノテクノロジ分野での日本の噞性化と噞財堍確保を期待したい。半導や]晶噞のように、長Qにわたり営々と研|開発した成果が、わずか数Qで他国にΔ蠧Dられてしまうのは、にやるせないからである。ましてや「日本人が研|をVめてくれたのがmいした」などと後世、他国の研|vに言われないためにも、開発実化研|の奮Mを期待したい。
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著書(参考@料3)ではLCの都合で入れられなかったが、この調hにはごH忙の中をインタビューに応じていただき、その後もご指導いただいた宮先擇函宮先擇鯆樟椶款匆陲い燭世、インタビューにも同伴いただいた元宮研|室で元NECトーキン磯、さらにその磯をご紹介いただきました元NECトーキン代表D締役副社長内兔男にj変お世Bになった。また調hをまとめる段階では田R先端財団常任理で東B工j@誉教b、元LSI\術研|組合共同研|所所長の谿羚夫先擇鬚呂犬瓠珪誑男専理、溝渕裕理や他のプログラムオフィサー、プログラムスペシャリストの(sh┫)々にご指導とHくのごT見を賜った。またいつものように本Mはセミコンダクタポータル集長氾跳二にh読をしていただいた。せて厚く御礼申し屬欧襦
参考図 5×1019/cm3のGaをドープしたp型Ge屬法Sbドットを乗せ、X冷して作ったエサキダイオードにおいて、]ヘリウムa度にした時に、微分コンダクタンス(dI/dV)-V性で検出されるフォノンアシステッドトンネル電流(参考@料12)
田R先端財団プログラムスペシャリスト
東学院j学j学院工学研|科常講師
参考@料
1. 例えば谿羚夫、「世cをリードするイノベーター」、オーム社刊(2005)
2. 同様に谿羚夫、「S及度で世cを変えたイノベーター」、オーム社刊(2007)
3. 谿羚夫、「vのlかさを創出したイノベーター」、オーム社刊(2010)、pp.231-2607章 宮照x トンネル磁気B^効果(TMR)の先~的開発v
4. Y. Nishi, "Semiconductor technology' Old but still New' ", The 4th Intern. Symp. Waseda University Global COE Program, "Intern. Res. Edu. Center for Ambient SoC", "Intern. Symp. on Past, Present, and Future of Semiconductor technology", (2009.5.29)
5. D. Armbrust, "SEMATECH: Creative Collaboration in Advanced Technology R&D", SEMATECH Symposium Japan 2010 (Sep. 15, 2010)
6. D. Verkest, "Technology-Design Interaction", Towards the Ultimate IC, IMEC Executive Seminar 2010(Nov. 16. 2010)
7. 宮照x、「スピントロニクス」、日刊工業新聞社刊、(2004)、pp.100-101
8. T. Miyazaki and N. Tezuka, "Giant Magnetic Tunneling Effect in Fe/Al2O3/Fe Junction", J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
9. X.-F. Han, T. Daibou, M. Kamijyo, K. Yaoita, Y. Ando, and T. Miyazaki, "Jpn. J. Appl. Phys. 39, Part2, No.5B, L439 (2000)
10. 宮照xインタビュー(2009Q7月2日)
11. L. Esaki and Y. Miyahara, Solid-State Electronics 1, 13 (1960)
12. M. Kamoshida, K. kijima, and J. Nishizawa, "Components of the Tunnel Current in Sb-Alloyed Diodes and (Sn-Sb)-Alloyed Diodes", RIEC Technical Report TR-11 (1966) , published by the Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University
13. M. Kamoshida, M. Takusagawa, K. Demizu, K. Takahashi, and J. Nishizawa "Various Structures of Conductance Anomalies near Zero-Bias in GaAs Backward Diodes", RIEC Technical Report TR-16 (1966) , published by the Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University
14. 例えばM. Mizuguchi, Y. Hamada, R. Matsumoto, S. Nishioka, H. Maehara, K. Tsunekawa, D. D. Djayaprawira, N. Watanabe, T. Nagahama, A. Fukushima, H. Kubota, S. Yuasa, M. Shiraishi, Y. Suzuki, "Tunneling Spectroscopy of Magnetic Jubctions: Comparison between CoFeB/MgO/CoFeB and CoFeB/Al-O/CoFeB", J. Appl. Phys. 99, 08T309 (2006)
15. 例えば宮崎照x、j兼(chu┐ng)}、桜庭裕弥、渡邉j輔、Resul Yilgin、佐久間昭、W藤康夫、久保田均、"スピントロニクスの形成と発t"、g及びg冶金55、109 (2008)
16. 宮崎照x、"TMR効果の歴史とt望"、まぐね/Magnetics Jpn. 3, 212 (2008)
17. "仲間と越えたxの谷 東j教b 宮崎照x"、朝日新聞 2008.01.30 東B朝刊24ページ
18. r志田元孝、"類性で検索するツールと電子図書館での~機薄膜の分析"、セミコンポータル(2010Q4月22日)
19. χLUSに関しては中達據"3章情報ネットが作る新しい"、「共に擇るL」田R先端財団、化学同人(2009.10)に詳しい
20. 中達據"文献をS瞰して脅威に気づきチャンスをモノにする"、 庁、「的財撐Sに@する情報分析例集」(2010.4)
R1. 例えば2010QのIEEE Trans. Semicond. Manuf誌1Q間4冊の掲載b文を分析すると、攵]の要素\術では日本から数Pあるものの、攵]のための攵厙理、工場管理、管理等の管理\術では、盜26P、アジア(湾7Pf国3P中国2P)12P、欧3Pに瓦掘日本からは見当たらない
R2. IEEE Trans. Electron Devices誌でこの向に気がいたので、試みにIEEE Trans. Nanotechnology誌で2010Qの1Q間分6冊に掲載されたb文104Pを調べた。筆頭v(所錙砲涼楼菠未任蓮54P、アジアオセアニア33P、欧17Pであるが、アジアオセアニア33Pの内lはf国12P、中国10P、湾3Pで合27P(82%)をめており、日本は1Pしか見当たらず、それも筆頭vは粒擇任△襦m54Pの内、筆頭vがf国、中国Uの@iのb文が18Pで1/3をめ、日本人@の筆頭vのb文はこの中にも見当たらない。仮に彼らが帰国すると櫃畔造崟になる。日本がuTとする分野の投M先が、駘、化学などもう少し基礎的な雑誌に集中していて、この学術誌とは異なるためかとも考えられる。しかしナノテクノロジの応分野を考えるときのkつの分野として、この学術誌に現れる動向は無できない。